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大跨度斜拉桥多点激励效应研究

张翠红  
【摘要】:近年来,斜拉桥因其经济上、结构上与建筑造型诸方面的独特优点,受到桥梁工程界的日益重视,不论是在国内、还是在国外都得到了迅速的发展。桥梁作为生命线工程,一旦在地震中发生破坏,将会造成巨大的生命和财产损失,所以其抗震设计就显得尤为重要。 地震波在向四周传播的过程中,不仅有时间上的变化特性,而且存在着明显的空间变化特性。传统上,对大多数结构进行地震反应分析时都忽略了地震动的空间变化特性。对于平面尺寸比较小的结构,忽略地震动的空间变化特性是能够满足其抗震设计要求的。但对于斜拉桥、悬索桥等平面尺寸比较大的结构,地震动的空间变化特性将是显著的,其影响将是不可忽略的。在对斜拉桥进行地震响应分析时,应该考虑地震动的空间变化特性,进行斜拉桥的多点激励效应分析。关于斜拉桥的多点激励效应问题,虽然已经进行了一些研究工作,但目前并没能得出统一、系统的结论,这个问题还有待于进一步的研究。运用一些有效的分析方法,对斜拉桥的多点激励效应进行研究,探索出一些规律性的结论,这是本文的主要研究内容。 在非一致地震动作用下,结构的运动方程不能简单套用一致地震动作用下的运动方程。本文重新推导了非一致地震动作用下的结构运动方程。其基本原理是把结构反应的总位移分解为拟静力位移和动力位移,拟静力位移用静力法求解,将拟静力位移代回原方程得到动力响应控制微分方程,求解微分方程即可求出动力位移,从而求出总位移。动力响应控制微分方程采用Newmark数值积分方法进行求解。 以南京长江二桥南汊桥为对象,采用时程分析方法计算了非一致地震动输入(指行波效应)下斜拉桥的地震反应,并和一致地震动输入下的结果进行对比、分析,研究了非一致地震动输入对斜拉桥地震反应的影响。研究结果表明:与一致地震动输入相比,非一致地震动输入对斜拉桥的地震响应有很大的影响。对于不同的响应量,影响是不同的。与一致地震动输入相比,非一致地震动输入可以使斜拉桥的地震响应改变达40%以上。而且,在一致地震动输入和非一致地震动输入两种情况下,不仅结构的反应峰值不同,而且结构反应峰值发生的时刻也不一样。 近年来,在多点激励效应的研究领域,随机振动分析方法得到了越来越广泛的关注。利用前面推导得到的非一致地震动作用下的结构运动方程,基于随机振动理论推导出了非一致地震动作用下结构随机响应的计算公式。利用该公式,可以求得大跨结构在非一致地震动作用下任一响应的方差。 在综述目前常用的地震动随机模型和相干函数的基础上,选用Clough和Penzien提出的改进Kanai—Tajimi功率谱模型和Loh、Yeh相干模型描述非一致地震动输入,采用随机振动分析方法研究了地震动的空间变化特性,包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应,对斜拉桥地震响应的影响。研究结果表明:行波效应对斜拉桥地震响应的影响明显大于部分相干效应的影响,与行波效应相比,部分相干效应的影响可以忽略;局部场地效应对斜拉桥地震响应有很大的影响,在同样大小的地震动作用下,斜拉桥在软场地条件下的地震响应明显大于在硬场地条件下的响应,而中等场地条件下的响应介于两者之间。 最后着重研究了斜拉桥多点激励效应随斜拉桥主跨、地震波传播速度、地震动作用方向、塔梁连接方式、塔梁刚度等因素的变化规律,得出了一些规律性的结论。


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